近接撮像型DOI-PET装置の計算機シミュレーションによる検出器配置の

（18）
18）近接撮像型 DOIDOI-PET 装置の計算機シミュレーションによる
検出器配置の検討
菅幹生 1)、山谷泰賀 2)、小林哲哉 1)、高橋悠 1)
1)千葉大学・工学部、2)放射線医学総合研究所・医学物理部
１． はじめに
近年、食生活の欧米化や生活様式の変化に伴い、乳がんによる死亡率は急激に上昇している。乳が
んは早期発見・早期治療による効果が非常に高いことから、初期段階での発見を目的とした乳がん検
診が薦められている。乳がんに対する主な検診法は視触診のほかに、マンモグラフィーや超音波など
の画像診断装置があり、これらは細胞や組織の中に異常な形や大きさのものが無いかを観察するため
に利用される。一方 18F-FDG を利用した PET 撮影では、細胞分裂がさかんながん組織ほど 18F-FDG
が集中するという機能的特性を利用して観察できる点で優れているが、感度と空間分解能が低く、更
なる向上が望まれている。
他方、生命機能の理解や新薬開発を目的として、生体内の細胞や分子の挙動を画像化する分子イメ
ージングが注目されている。これらの研究で対象となるのはマウスやラットなど小動物の場合が多い
ことから、
小動物専用の高性能 PET 装置の開発や要素技術研究が盛んに行われている。
小動物用 PET
装置を用いて小さな組織を高い空間分解能で画像化するには、放射能濃度と装置感度の積を人間用
PET 装置の 80 倍程度にする必要がある 1)。しかし、放射能濃度は被爆量の問題やリガンドの占有率
の制約から単純に高くすることはできない。したがって、非常に高い装置感度が求められることにな
る。
従来の PET 装置は、十分な感度を得るために結晶素子を厚くすると視野辺縁部の空間分解能が低
下し、空間分解能を向上させるために結晶素子を薄くすると十分な感度が得られないことから、感度
と空間分解能を両立することができなかった。これに対して、検出器深さ方向のγ線相互作用位置
（depth-of-interaction, DOI）を計測する 3 次元放射線検出器 1)は、感度を維持しながら視野中の空
間分解能の一様性を高めることができる。この DOI 検出器を用いることで、乳房や小動物などの部
位や対象に特化して近接撮影する高感度 PET 装置の実現が期待されている。一方で検出器を測定対
象に近づけるほど感度が高まる一方で、解像度や計数特性が劣化することや、検出器間に隙間がある
場合には、投影データが不完全なものになり、解像度が劣化することが予想される。本研究では、近
接撮影型 DOI-PET 装置の実現を目指し、その基礎設計に役立てるため、計算機シミュレーションに
よって提案装置の画質性能を明らかにすることを目的とする。具体的には、検出器リング径を小さく
することによって装置感度を高めた装置仕様において、検出器配置の違いが感度や計数特性、空間分
解能に与える効果を明らかにする。
2． 近接撮影型 DOIDOI-PET 装置
2.1. DOI 検出器
近接撮影型 DOI-PET 装置では、結晶素子を小型化することで空間分解能を高め、結晶素子を多層
にすることで感度を高める。今回 1.44×1.44×4.5mm3 の LSO 小型検出素子を 32×32×4 層に配置
した DOI 検出器ブロックと 256ch フラットパネル光電子増倍管（PMT）を用いた大面積の検出器を
100
用いた場合について検討した。
2.2. DOI 検出器配置
検出器ブロックの配置は小動物用 DOI-PET 装置も視野に入れて六角形（視野直径 85.2mm）、四
角形（視野直径 49.2mm）、さらにパッキングフラクションを高めるために検出器の端を一部分重ね
た四角形（視野直径 38.1mm）の計３種類とし、体軸方向にはいずれも 2 リング並べる構成とした(図
１)。
3． 計算機シミュレーション
近接撮影型 DOI-PET 装置の上記検出器配置での感度分布、絶対感度、雑音等価計数比（ＮＥＣＲ）
などを求めるために、モンテカルロシミュレータ GATE (Geant4 application for tomographic
emission) 3,4)を用いて各装置をモデル化した。さらに、並列読み出しによる感度および計数特性の変
化についても求めた。また、空間分解能を調べるために画像再構成には正確な検出器応答関数を取り
入れたリストモード再構成手法を実装した。
3.１
3.１．感度分布
各検出器配置の装置で、体軸に垂直な断面と体軸に平行な断面での 2 次元感度分布を求めるために、
板状で 10kBq の線源を FOV 内に設置し、測定時間はいずれの検出器配置においても中心部の画素が
10000 カウントとなる時間とした。計算機シミュレーションにおける回路系の設定パラメータはエネ
ルギー分解能を 20%、エネルギーウィンドウを 350 から 600keV、時間分解能を 1.0ns、同時計数タ
イムウィンドウを 4.0ns、デッドタイムは non-paralysable で 125ns とした。得られる同時計数デー
タには放射性崩壊が発生した座標位置が情報として含まれており、その情報を元に感度分布図を作成
することができる。
3.2. 絶対感度
直径 1 ㎜で 10kBq の点線源を FOV の中心に設置し、測定時間を 100 秒と想定した。回路系の設
定パラメータは、エネルギーウィンドウの低エネルギー側の閾値を 200 から 400keV の範囲で 50 keV
間隔、エネルギーウィンドウの高エネルギー側の閾値を 600keV、アノード分割数は 1×1、2×2、4
×4、8×8 とした以外は感度分布測定と同じ設定にした。また、microPET Focus220 の検出器配置
でのシミュレーションも行なった。microPET の回路系設定パラメータは、
エネルギー分解能を 18.5%、
アノード分割数を 1×1 のみとした以外は回路系のパラメータは提案装置と同じとした。
3.3. 雑音等価計数比
(a) 四角形
図1
(b) 四角形（重なりあり）
近接撮影型 DOI-PET 装置の検出器配置
101
(c) 六角形
各検出器配置の装置における画像の信号対ノイズ比を表す指標となる雑音等価計数比（NECR）を
測定するために、図２に示した散乱フラクション測定用ファントム（NEMA NU2-2001）の小型版
を用いた 5)。ファントムは直径 30mm、長さ 70mm の円柱状の Polyethylene (ρ= 0.96 g/cm3)の中心
軸から 7.5ｍｍ離れたところに直径 3mm の線源(Volume=0.4948 ml)を埋め込んでいる。NECR の計
算式は、
NECR＝T2／(T + S + 2fR)
とした。T は true, S は scatter, R は random を表す。f は FOV とファントムの表面積比で定義さ
れる random の補正係数であり、
f = (φp・Lp)／(φF・LF)
で定義した。φp と Lp はファントムの直径と長さを表し、φF と LF は FOV の直径と長さを表す。
この定義式より、六角形と四角形、および四角形（重なりあり）のｆの値を求めるとそれぞれ 0.50、
0.87、1.12 となる。
3．4. イメージングシミュレーション
3.4.1. 画像再構成
ブロック間の隙間や不均一な検出素子対サンプリングによって生じるサイノグラム化エラーを避
けるため、正確な検出器応答関数を取り入れたリストモード画像再構成手法を適用した。具体的には、
検出素子の幾何学的配置と検出素子内のγ線の貫通を考慮して定義した感度分布関数を用いてシス
テムマトリクスを定義し、リストモードベースの normalization weighted maximum likelihood
expectation maximization (ML-EM)法を実装した。物体空間は、幅 0.49mm のピクセルを既定関数
として用いた。
3.4.2. 画質評価
計算機シミュレーションで想定した数値ファントムは、直径 32mm のプールファントム (warm)
上に直径１ｍｍの点線源(hot) を５mm 間隔で格子状に 11 点配置した（図３）。総カウント数は一
定時間測定を行った場合の各検出器配置の感度に比例させて、四角形（重なりあり）を 2M、四角形
を 1.6M、六角形を 1.333333M とした。また、プールファントムと点線源の強度の比は 1:5 とした。
空間分解能の評価のために各点線源の格子方向の測定半値幅（FWHM）を測定した。なお、シミュ
レーションではポジトロンレンジ、角度揺動、吸収、散乱は考慮せず、再構成は 2 次元とした。各装
置で得られる再構成像を比較するにあたり、画像に対するノイズの影響を表す指標である正規化標準
偏差（normalized standard deviation: NSD）値が 0.12 となる逐次回数の画像を利用した。全ての
画像においてファントムの一様領域であるバックグランド中に約 15×10mm2 の関心領域 (region of
図２
計数率測定用ファントム
102
図３
分解能測定用ファン
interest: ROI)を図３の赤い四角で示した位置に設定した。NSD 値は ROI 中の RI カウントの平均値
を RI カウントの標準偏差で割ることにより求めた。ROI 中には 600 個のピクセルが含まれる。
空間分解能の測定は、再構成画像からバックグラウンド（ROI の画素の平均値）を差し引いた後、
4 点の radial 方向および tangential 方向のプロファイルに Gaussian fitting を施ことで、FWHM を
求めた。
4．結果および考察
4.１
4.１．感度分布
各検出器配置で、エネルギーウィンドウを 350 から 600keV としたときの 2 次元感度分布を図４
に示す。体軸に垂直な断面での感度の最大値と平均値はそれぞれ四角形で 25.0%と 20.7%、四角形（重
なりあり）で 31.2 %と 28.5%、六角形で 21.0 %と 17%であった。また、体軸に平行な断面での感度
の最大値と平均値はそれぞれ四角形で 25.1%と 14.2%、四角形（重なりあり）で 32.4%と 21.3%、六
角形で 20.5%と 10.8%であった。
4.2. 絶対感度
各検出器配置で、アノード分割数を変えた場合の絶対感度を図５に示す。アノード分割数を増やす
と絶対感度は低下した。また、アノード分割数によらず検出器配置が四角形（重なりあり）、四角形、
六角形の順に絶対感度は高く、その比は 1.5 : 1.2 : 1 となった。また、microPET Focus220 の検出器
配置での絶対感度のシミュレーション結果は四角形（重なりあり）の約十分の一にあたる 2.9%であ
った。
4.3. 雑音等価計数比
検出器配置の違いによる雑音等価計数率を各アノード分割数ごとに図６に示す。すべての検出器配
置で並列読み出しをすることで感度の低下を抑えながら、計数率が向上することを示している。並列
読み出しをしない場合には両四角形配置は高放射能時の計数率が六角形配置に劣るが、並列読み出し
をすることで優れた性能を発揮することが示された。これは検出器配置が四角形の場合、並列読み出
しをすることで random よりも真の同時係数が増加する割合が大きくなることに起因する。
アノード分割数が 2×2 以上の場合、感度、雑音等価計数比の最大値ともに四角形（重なりあり）
が優れた結果を示した（図７）。高放射能時（＞50MBq）の計数率は 4×4 が優れるが、投与する薬
物の放射能濃度を 40MBq 以下とする場合には、2ｘ2 の計数率の方が優れている。
(a) transaxial
図４
(b) axial
各検出器配置での感度分布
検出器配置は(a), (b)いずれも左から四角形、四角形（重なりあり）、六角形
103
35
35
35
30
30
30
25
20
15
10
5
200 keV
250
300
350
Abso. sensitivity [%]
40
Abso. sensitivity [%]
40
25
20
15
10
5
400
0
200 keV
250
300
350
2x2
4x4
250
300
350
400
25
20
15
5
400
0
8x8
1x1
Number of anode segments
2x2
4x4
8x8
1x1
2x2
4x4
8x8
Number of anode segments
Number of anode segments
(a) 四角形
図５
200 keV
10
0
1x1
(b) 四角形（重なりあり）
(c) 六角形
各検出器配置での絶対感度
4500
4500
六角形
4000
4000
四角形
四角形（重なり有り）
3500
3500
microPET
3000
NEC2fR (kcps)
NEC2fR (kcps)
3000
2500
2000
2500
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
六角形
0
四角形
四角形（重なり有り）
0
0
50
100
150
200
250
0
50
Total activity (MBq)
(a) アノード分割数
100
150
Total activity (MBq)
1×1
(b) アノード分割数
4500
4500
4000
4000
3500
3500
3000
3000
NEC2fR (kcps)
NEC2fR (kcps)
Abso. sensitivity [%]
40
2500
2000
1500
200
250
2×2
2500
2000
1500
六角形
1000
六角形
1000
四角形
四角形
四角形（ 重なり有り）
500
四角形（ 重なり有り）
500
0
0
0
50
100
150
200
250
0
Total activity (MBq)
(c) アノード分割数
図６
50
100
150
200
Total activity (MBq)
4×4
(d) アノード分割数
アノード分割数 1×1 から 8×8 における各検出器配置での計数率
104
8×8
250
4500
.
4000
Maximum NECR (kcps)
3500
3000
2500
2000
1500
六角形
1000
四角形
四角形（ 重な りあ り）
500
0
1x1
2x2
4x4
8x8
Number of anode segments
図７
最大 NECR の比較
4．4. イメージングシミュレーション
各検出器配置での分解能測定用ファントムの再構成画像を図８に示す。また、再構成画像からバッ
クグラウンドを差し引いた画像を図９に示す。検出器配置が四角形、六角形、四角形（重なりあり）
の順に、結晶ブロックに垂直な方向に伸びるアーティファクトが強く現れている。NSD=0.12 の条件
下で求めた radial 方向および tangential 方向の FWHM を図１０に示す。検出器配置が四角形の場
合の FWHM の最小値、最大値、平均値はそれぞれ 1.2mm、1.７mm、1.3mm、四角形（重なりあり）
の場合は 1.0mm、1.5mm、1.2mm、六角形の場合は 1.0mm、1.6mm、1.2mm であった。
(a) 四角形
図８
(c) 六角形
各検出器配置での再構成画像
(a) 四角形
図９
(b) 四角形（重なりあり）
(b) 四角形（重なりあり）
各検出器配置での再構成画像からバックグラウンドを差し引いた画像
105
(c) 六角形
1.8
1.8
radial
1.6
1.4
1.4
FWHM resolution [mm]
FWHM resolution [mm]
tangential
1.6
1.2
1
0.8
六角形
0.6
四角形
0.4
1.2
1
0.8
六角形
四角形
四角形（重なり有り）
0.6
0.4
四角形（重なり有り）
0.2
0.2
0
0
0
図１０
5
10
radial offset [mm]
15
0
5
10
radial offset [mm]
15
各検出器配置での FWHM 解像度（NSD=0.12）
5．まとめ
計算機シミュレーションによって、検出器の端を一部分重ねた四角形配置の装置が、検出器配置が
四角形や六角形の装置よりも優れた感度、計数率特性を有することを示した。また、アノード信号の
並列読み出しの有効性を示した。具体的には、六角形：四角形：四角形（重なりあり）の絶対感度比
は、１：1.2：1.5 であった。また、最大 NECR は分割読み出しを行わない場合１：0.79：0.92 であ
ったが、分割読み出しを 2×2 では１ ： 0.84 ： 1.02、4×4 では １ ： 0.90 ： 1.13、8×8 では
１ ： 0.91 ： 1.13 となった。すなわち、測定対象が小さい場合、検出器を近づけることによって
絶対感度が向上する一方、計数損失の影響を強く受けてしまうが、適切な分割読み出しによって計
数損失を抑制できることがわかった。また、40MBq 以下の低放射能時の計数率はアノード分割数 2
×2 が、高放射能時の計数率は 4×4 が優れていた。このことは検査時に用いる薬剤投与量により、
最適なアノード分割数が変わることを意味する。
イメージングシミュレーションの結果、検出器配置が四角形の場合、検出器の端を一部分重ねるこ
とで空間分解能を向上できることが分かった。また、検出器配置が四角形（重なりあり）の場合、六
角形の装置よりも撮影対象に近接し、結晶素子数も３分の２であるにもかかわらず、空間分解能は劣
化しないことがわかった。今回の実験結果より、FOV が小さい点を除くと、適当なアノード分割数
によって計数率を他と比べて向上させることができて、体軸方向への感度も高く、必要な結晶数が少
ない点で経済的でもある四角形（重なりあり）の装置が最適であると考えられる。
参考文献
[1] 山谷泰賀 他、”小動物用 DOI-PET 装置”jPET-RD”の 2 次元イメージングシミュレーション”、 Jpn. J. Med, Phys., 25,
1, 2005
[2] Murayama H. et al, “Design of a Depth of Interaction Detector with a PS-PMT for PET”, 1999 IEEE Nucl. Sci., 47,
pp.1045-1050, 2000.
[3] Jan S. et al, "GATE: a simulation toolkit for PET and SPECT", Phys. Med. Biol., 49, pp.4543-4561, 2004.
[4] Agostinelli S. et al, "GEANT4: a simulation toolkit", Nucl. Instrum. Meth., A506, pp.250-303, 2003
[5] Tai Y.C. et al, "Performance Evaluation of the microPET Focus: A Third-Generation microPET Scanner
Dedicated to Animal Imaging", Journal of Nuclear Medicine, 46, 3, pp.455-463, 2005.
106